本发明涉及煤炭开采技术，具体涉及一种煤炭地下气化炉及气化方法。
背景技术：
煤炭地下气化技术是一种将埋藏在地下的煤炭进行直接的、有控制的燃烧，通过煤的热作用及化学作用，产生可燃气体的煤炭开采技术。在煤炭地下气化技术中，需要开设一系列连接地表和煤层的钻孔，如用于向煤层中输送气化剂(如空气、氧气等)的进气钻孔，从地下输出可燃气体(如甲烷、氢气、一氧化碳)的出气钻孔等等，另外显然的，还需在煤层中开设水平钻孔以连通进气钻孔和出气钻孔，公知的，将这些由地表延伸至煤层中的钻孔、以及开设于煤层中的钻孔组成的整体通道系统称之为地下气化炉。
现有技术中的地下气化炉包括棋盘式气化炉和定向钻进贯通式的气化炉，棋盘式气化炉由前苏联进行工业应用，典型的如莫斯科近郊气化站，该类型的气化炉采用垂直钻孔作为进气钻孔、出气钻孔，通常一个气化炉包括多行(或列)垂直钻孔，每行(或列)垂直钻孔包括多个垂直钻孔，在气化炉运行过程中，按行(或列)的顺序进行气化，如第一行(或列)作为出气孔，第二行作为进气孔进行气化，当第一行、第二行之间的煤层完成气化后，改由第三行钻孔进气、第二行钻孔出气，如此依次类推，直至完成区域煤炭的气化开采。
定向钻进贯通式的气化炉典型的如安格林气化站，其包括多个垂直钻孔、以及设置于煤层中连通两个垂直钻孔的定向钻孔，各垂直钻孔分别作为进气钻孔和出气钻孔，定向钻孔主要用作气化通道，在定向钻孔上为了控制注气位置，引导气化工作面的扩展，同时可沿着定向钻孔钻取若干垂直孔作为辅助进、出气孔。
地下气化炉的主体是钻孔，钻孔尤其是煤层中的水平钻孔所耗费的经济成本和时间成本均较高，因此在煤炭地下开采过程中，希望尽可能的减少钻孔数量，增加单孔的煤炭开采量，降低可燃气体的生产成本。
现有技术中的不足之处在于，这两种类型的地下气化炉，棋盘式气化炉的钻孔间距一般10～50m，通常20m左右，这使得这种气化炉的钻孔数目过多，如此钻孔耗费的时间成本过大，单位钻孔采出的煤炭量低；定向钻进贯通式的气化炉的垂直钻孔较棋盘式气化炉的数量少很多，但是其定向钻孔的长度较长，尺寸一般可达100～300m，如此定向钻孔过长，注气过程中注气点的移动不够方便，仍然需要设置多个垂直孔作为辅助进气孔。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种煤炭地下气化炉及气化方法，以解决现有技术中的上述不足之处。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤炭地下气化炉，包括：
进气孔，其包括相连通的竖直段和水平段，所述竖直段的顶端位于地表，所述水平段位于煤层中；
多个排气孔，各所述排气孔的顶端位于地表，其底端位于煤层中；
多个水平定向钻孔，各所述水平定向钻孔与各所述排气孔一一对应，所述水平定向钻孔的两端分别与所述排气孔的底端和所述水平段连通。
上述的煤炭地下气化炉，还包括：
辅助孔，所述辅助孔的顶端位于地表，底端与所述水平段相连通，所述辅助孔和所述竖直段分置于所述水平段的相对两端。
上述的煤炭地下气化炉，多个所述排气孔分成两列，两列所述排气孔分置于所述水平段的相对两侧。
上述的煤炭地下气化炉，所述水平定向钻孔与所述水平段上远离所述竖直段的部分的夹角介于15°到90°之间。
上述的煤炭地下气化炉，所述水平段的距离为150～1500米，所述水平定向钻孔的距离为100～300米。
上述的煤炭地下气化炉，所述水平段和/或各所述水平定向钻孔上设置有支护结构。
上述的煤炭地下气化炉，所述水平段位于所述煤层的裂隙方向或者主应力方向。
一种煤炭地下气化方法，包括以下步骤：
a101、开钻进气孔，所述进气孔包括相连通的竖直段和水平段，所述竖直段的顶端位于地表，所述水平段位于煤层中；
a102、开钻第一个排气孔，所述排气孔的顶端位于地表，其底端位于煤层中；
a103、开钻第一个水平定向钻孔，所述水平定向钻孔的两端分别与所述排气孔的底端和所述水平段连通；
a104、通过所述进气孔下入注气装置至第一个所述水平定向钻孔中进行地下气化，气化煤气由排气孔输出至地表；
a105、待第一个所述水平定向钻孔地下气化完毕后，循环上述步骤a102-a104开钻多个排气孔和水平定向钻孔，并对应进行地下气化。
上述的煤炭地下气化方法，所述开钻第一个排气孔以前还包括：
a101’、开钻辅助孔，所述辅助孔的顶端位于地表，其底端位置被设计为与后续开钻的水平段相连通，所述辅助孔和所述竖直段分置于所述水平段的相对两端。
上述的煤炭地下气化方法，在所述通过所述进气孔下入注气装置至第一个所述水平定向钻孔中进行地下气化的步骤中，
所述水平定向钻孔中包括多个注气位置，所述注气装置从靠近所述排气孔的一端移动到靠近所述水平定向钻孔的一端，其在各所述注气位置分别进行注气气化。
上述的煤炭地下气化方法，在所述通过所述进气孔下入注气装置至第一个所述水平定向钻孔中进行地下气化的步骤之后还包括：
a106、对地下气化完毕后的对应排气孔和/或水平定向钻孔进行封堵操作。
上述的煤炭地下气化方法，所述对地下气化完毕后的对应排气孔进去封堵操作的步骤中：
通过进气孔输入保护气以对封堵位置进行通气保护。
一种煤炭地下气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
b101、开钻进气孔，所述进气孔包括相连通的竖直段和水平段，所述竖直段的顶端位于地表，所述水平段位于煤层中；
b102、开钻多个排气孔，所述排气孔的顶端位于地表，其底端位于煤层中；
b103、开钻第一个水平定向钻孔，所述水平定向钻孔的两端与其中一个所述排气孔的底端和所述水平段连通；
b104、通过所述进气孔下入注气装置至第一个所述水平定向钻孔中进行地下气化，气化煤气由排气孔输出至地表；
b105、待第一个所述水平定向钻孔地下气化完毕后，循环上述步骤b103-b104以开钻多个水平定向钻孔，各所述水平定向钻孔与各所述排气孔一一对应，并对应进行地下气化。
在上述技术方案中，本发明提供的煤炭地下气化炉，通过单个长距离的进气孔配合多个出气孔，如此提升单孔的煤炭开采量；同时水平定向钻孔可以设置的较短，如此便于对移动注气的气化过程进行控制。
由于上述煤炭地下气化炉具有上述技术效果，该煤炭地下气化炉对应的地下气化方法也应具有相应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的煤炭地下气化炉的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的煤炭地下气化炉的位于煤层部分的示意图；
图3为本发明实施例提供的煤炭地下气化方法的运行循序图；
图4为本发明一种实施例提供的煤炭地下气化方法的流程框图；
图5为本发明另一种实施例提供的煤炭地下气化方法的流程框图；
图6为本发明再一种实施例提供的煤炭地下气化方法的流程框图。
附图标记说明：
1、进气孔；1.1、竖直段；1.2、水平段；2、排气孔；3、水平定向钻孔；4、辅助孔；5、注气装置；
a1～a6，b1～b6、排气孔的编号；c1、辅助孔的编号；d1、进气孔的的编号；e1～e6，f1～f6、水平定向钻孔的编号；g1～g4、注气位置编号；s1～s6、水平定向钻孔与进气孔的交叉点的编号。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
本发明中，涉及方位的限定词如“顶”、“底”、“水平”、“竖直”等等，其均是相对概念，相对煤炭地下气化炉实际所处的环境所言的，如对于孔状结构，位于地面的部分是位于地下部分的顶，反之为底，与地面平行的为水平，与地面垂直的为竖直，其它以此类推。
如图1-3所示，本发明实施例提供的一种煤炭地下气化炉，包括进气孔1、多个排气孔2以及多个水平定向钻孔3，进气孔1包括相连通的竖直段1.1和水平段1.2，所述竖直段1.1的顶端位于地表，所述水平段1.2位于煤层中；各所述排气孔2的顶端位于地表，其底端位于煤层中；各所述水平定向钻孔3与各所述排气孔2一一对应，所述水平定向钻孔3的两端分别与所述排气孔2的底端和所述水平段1.2连通。
具体的，进气孔1的进气端位于地表，进气孔1的位于地表至煤层的一端为直孔，如垂直于地表的垂直孔状结构，为竖直段1.1，其位于煤层中的部分为与地表面平行的水平孔状结构，为水平段1.2。竖直段1.1和水平段1.2可以直接相连，即水平段1.2的一端连通水平段1.2的底端，竖直段1.1和水平段1.2也可以通过其它的管道结构相连通，如通过弧形通道或者斜通道相连通。排气孔2有多个，优选的其为竖直孔，排气孔2可以为一列，也可以有多列，其数量和位置根据实际的气化状况确定，排气孔2的底端位于煤层中，其与水段处于或者基本处于同一深度。各排气孔2与各水平定向钻孔3一一对应连通，水平定向钻孔3的两端分别连通水平段1.2和排气孔2的底端。
本实施例中，水平定向钻孔3的长度一般在100～300米。进气孔1的水段的长度取决于定向钻井的施工技术水平和气化的实际需求，其长度一般在150～1500米，各排气孔2间的距离取决于煤层开采厚度、地表沉降影响程度和保护煤柱的留设宽度，其值一般在20～50米。
本实施例中，在进行气化时，由进气孔1输入注气装置5至水平定向钻孔3中，由水平定向钻孔3进行煤炭的地下气化，由排气孔2输出生成的可燃气体，更为详细的地下气化步骤见后述的方法部分。
本发明实施例提供的煤炭地下气化炉，相比现有技术中的棋盘式气化炉，整体的钻孔数量明显减少，单孔煤炭开采量明显增大；相比现有技术中的钻进贯通式的气化炉，直接可在水平定向钻孔3中进行注气装置5的操作，无需额外开钻辅助进气孔1，注气以及气化过程更为方便。
本实施例中，进一步的，还包括辅助孔4，辅助孔4的顶端位于地表，底端与所述水平段1.2相连通，所述辅助孔4和所述竖直段1.1分置于所述水平段的相对两端，辅助孔4具有多个作用，其一作为辅助的通气孔，如各类废气等由此处予以排出，第二其可以作为靶点，在煤炭地下气化炉进行施工过程中，先行施工辅助孔4，再以辅助孔4作为靶点施工其它钻孔。
本实施例中，进一步的，所述水平段1.2和/或各所述水平定向钻孔3上设置有支护结构，支护结构为钻孔的保护结构，如设置套管，乃至在套管的外侧施工水泥环等保护结构等等。支护结构用于维护钻孔，防止其在外在因素的冲击下发生变形等负面影响。
本实施例中，进一步的，所述水平段1.2位于所述煤层的裂隙方向或者主应力方向，如此一方面降低水平段1.2的施工难度，另一方面降低水平段1.2遭受煤层应力破坏的概率。
如图1-4所示，本发明一个实施例提供的一种煤炭地下气化方法，包括以下步骤：
a101、开钻进气孔1，所述进气孔1包括相连通的竖直段1.1和水平段1.2，所述竖直段1.1的顶端位于地表，所述水平段1.2位于煤层中；
a102、开钻第一个排气孔2，所述排气孔2的顶端位于地表，其底端位于煤层中；
a103、开钻第一个水平定向钻孔3，所述水平定向钻孔3的两端分别与所述排气孔2的底端和所述水平段1.2连通；
具体的，先从施工从地表至煤炭层的竖直段1.1，再在竖直段1.1的底部进行水平开钻以施工出水平段1.2。相应的，若竖直段1.1的底部通过斜管道或者弧形管道连接，则先行施工连接部分再施工水平段1.2。
在进气孔1之后，再行施工由地表延伸至煤层的第一个排气孔2，最后在煤层中水平开钻连通排气孔2和进气孔1的水平段1.2，由此形成第一个可以进行地下气化的结构。
本实施例中，在上述及后述的各个钻孔中，在钻孔施工成型后，可以进行相应的支护结构的施工，钻孔及支护结构的施工均为本领域的公知常识和惯用技术手段，本实施例不一一赘述。
a104、通过所述进气孔1下入注气装置5至第一个所述水平定向钻孔3中进行地下气化，气化煤气由排气孔2输出至地表；
具体的，此时即进行煤炭的地下气化，引燃水平定向钻孔3出的煤层，由注气装置5持续的向水平定向钻孔3内送入气化剂与煤层反应，气化过程产生的煤气通过排气孔2输送至地面。
本实施例中，由于水平定向钻孔3的长度可能较长，如300米左右，更进一步的，如图3所示，在地下气化过程中，水平定向钻孔3中包括多个注气位置g1、g2、g3等，所述注气装置5从靠近所述排气孔2的一端移动到靠近所述水平定向钻孔3的一端，其在各所述注气位置分别进行注气气化。具体的，注气位置其实移动到g1处进行注气气化，当g1处气化完毕后，如设计开采储量后和/或当煤气有效组分含量、热值出现明显下降，无法通过改变工艺技术参数进行调整后，再将注气装置5后移到g2处进行注气气化，如此依次操作直至将第一个水平定向钻孔3气化完毕。各注气位置以及相互间距离的确定根据设备的不同和具体气化需求确定，如10-30米设置一个注气位置。
a105、待第一个所述水平定向钻孔3地下气化完毕后，循环上述步骤a102-a104开钻多个排气孔2和水平定向钻孔3，并对应进行地下气化。
具体的，气化完毕根据气化过程中的具体情况进行判断，如设计开采储量后和/或当煤气有效组分含量、热值出现明显下降，无法通过改变工艺技术参数进行调整后即可判断气化结束，如此再开钻第二个排气孔2和第二个水平定向钻孔3进行地下气化，第二个结束后进行第三个，直至将整个区域开采结束。
本实施例中，由于上述煤炭地下气化炉具有上述技术效果，该煤炭地下气化炉对应的地下气化方法也应具有相应的技术效果。
如图1、2、3、6所示，本发明另一个实施例提供的一种煤炭地下气化方法，包括以下步骤：
b101、开钻进气孔1，所述进气孔1包括相连通的竖直段1.1和水平段1.2，所述竖直段1.1的顶端位于地表，所述水平段1.2位于煤层中；
b102、开钻多个排气孔2，所述排气孔2的顶端位于地表，其底端位于煤层中；
b103、开钻第一个水平定向钻孔3，所述水平定向钻孔3的两端与其中一个所述排气孔2的底端和所述水平段1.2连通；
b104、通过所述进气孔1下入注气装置5至第一个所述水平定向钻孔3中进行地下气化，气化煤气由排气孔2输出至地表；
b105、待第一个所述水平定向钻孔3地下气化完毕后，循环上述步骤b103-b104以开钻多个水平定向钻孔3，各所述水平定向钻孔3与各所述排气孔2一一对应，并对应进行地下气化。
具体的，如前述一个气化方法不同的是，本实施例可以先行开钻出所有的排气孔2，气化前开钻对应的水平定向钻孔3连通对应的排气孔2，如此可以集中开钻排气孔2，效率较高。显然的，本实施例除此之外其它的施工步骤、运行步骤以及达到的有益效果均可前一气化方法。
本发明中，作为等同的替换方法，由地面延伸至煤层的钻孔，可以不分开钻顺序，如还可以先行开钻第一个排气孔2等等。显然的，其可以达到相同的技术效果。
如图5所示，本发明中，进一步的，步骤a101或者b101之前还包括：
a101’、开钻辅助孔4，所述辅助孔4的顶端位于地表，其底端位置被设计为与后续开钻的水平段1.2相连通，所述辅助孔4和所述竖直段1.1分置于所述水平段1.2的相对两端。
具体的，辅助孔4的顶端位于地表，底端与所述水平段1.2相连通，所述辅助孔4和所述竖直段1.1分置于所述水平段1.2的相对两端，辅助孔4具有多个作用，其一作为辅助的通气孔，如各类废气等由此处予以排出，第二其可以作为靶点，在煤炭地下气化炉进行施工过程中，先行施工辅助孔4，再以辅助孔4作为靶点施工其它钻孔。
如图5所示，本发明中，进一步的，步骤a105或者b105之后还包括：
a106、对地下气化完毕后的对应排气孔2和/或水平定向钻孔3进行封堵操作。
具体的，对应的水平定向钻孔3开采完毕后，将注气装置5从该水平定向钻孔3内提出；之后通过注浆封堵该水平定向钻孔3，其可以封堵两部分，其一为封闭排气孔2与燃烧区的连接通道，如排气孔2与水平定向钻孔3的连接处，其二为封闭水平段1.2与燃烧区的连接通道，如水平段1.2与水平定向钻孔3的连接处，防止燃烧区的气体溢出地面或者进入水平段1.2以对其它区域的煤炭开采形成负面影响。
更进一步的，在封堵操作过程中，通过进气孔1输入保护气以对封堵位置进行通气保护。如通过进气孔1的环空注入氮气进行置换和通气保护，并通过辅助孔4排出放空。
本发明中，作为更详细的带参数的实施方式，提供两个实施例如下：
其一：
气化炉结构如图1、2所示，由地面向煤层中施工辅助孔c1；以辅助孔c1为靶点，在距离c1约300m处施工进气孔d1，进气孔的水平段2s位于煤层中，水平段末端与辅助孔c1孔底连通，长度约150m，水平段2s沿煤层主裂隙方向或最大主应力方向；沿进气孔d1水平段2s两侧施工各施工6个排气孔，分别为a1～a6、b1～b6，各排气孔之间的间距为25m。
由其中一个排气孔，如a1，向进气孔d2水平段2s设计位置(可设置靶点)s1进行水平定向钻孔施工，水平定向钻孔与水平段之间的夹角为45°，施工出水平定向钻孔e1将排气孔a1与进气孔的水平段2s连通，水平定向钻孔e1的长度约100m。
将注气装置5从进气孔d1内下放，并引导至与排气孔a1连通的水平定向钻孔e1内，起始注气位置g1选择在靠近排气孔a1孔底端，距离约为15m，在起始注气位置g1引燃煤层，并通过注气装置5持续送入气化剂与煤层反应，气化过程产生的煤气通过排气孔a1输送至地面。
始注气位置g1的煤层达到设计开采储量后和/或当煤气有效组分含量、热值出现明显下降，无法通过改变工艺技术参数进行调整后，通过后退移动注气装置5，改变气化剂的注入位置为g2，后退距离为8m，以引导燃烧区移动形成新的气化工作面，维持产气过程的连续性和煤气品质。按照上述方式通过不断后退注气点至g3、g4……，直至将排气孔a1与水平段s1之间的煤层完成气化开采，每次后退的距离为6～8m。
完成排气孔a1与水平段s1之间煤层气化开采后，将注气装置5从进气孔d1内提出；之后注浆封堵已完成气化开采的排气孔a1与水平段s1之间的连接处，形成水泥塞7完成封堵。操作过程中，通过进气孔d1环空注入氮气进行置换和通气保护，并通过辅助孔c1排出放空。
按照上述方法在新的排气孔b1进行水平定向钻孔施工，连通排气孔b1与水平段设定位置s1处，其水平井f1方位与水平段2s之间的夹角为45°，水平定向钻孔长度为100m；继续通过注气装置5注气，完成该段煤层的气化开采；封堵已完成气化开采的钻孔连通处。
继续完成排气孔a2、b2与水平段设定位置s2之间煤层的气化开采；重复上述步骤直至完成气化炉覆盖区域内各排气孔与水平段之间煤层的气化开采。
其二：
气化炉结构如图1、2所示，由地面向煤层中施工辅助孔c1；以辅助孔c1为靶点，在距离c1约500m处施工进气孔d1，进气孔的水平段2s位于煤层中，水平段末端与辅助孔c1孔底连通，长度约300m，水平段2s沿煤层主裂隙方向或最大主应力方向；沿进气孔d1水平段2s两侧施工各施工10个排气孔，分别为a1～a10、b1～b10，各垂直钻孔之间的间距为30m。
由其中一个排气孔，如a1，向进气孔d2水平段2s设计位置(可设置靶点)s1进行水平定向钻孔施工，其水平井方位与水平段之间的夹角为30°，施工出水平定向钻孔e1将排气孔a1与进气孔水平段2s连通，水平定向钻孔e1的长度约200m。
将注气装置5从进气孔d1内下放，并引导至与排气孔a1连通的水平定向钻孔e1内，起始注气位置g1选择在靠近排气孔a1孔底端，距离约为10m，在起始注气位置g1引燃煤层，并通过注气装置5持续送入气化剂与煤层反应，气化过程产生的煤气通过排气孔a1输送至地面。
始注气位置g1的煤层达到设计开采储量后和/或当煤气有效组分含量、热值出现明显下降，无法通过改变工艺技术参数进行调整后，通过后退移动注气装置5，改变气化剂的注入位置为g2，后退距离为15m，以引导燃烧区移动形成新的气化工作面，维持产气过程的连续性和煤气品质。按照上述方式通过不断后退注气点至g3、g4……，直至将排气孔a1与水平段s1之间的煤层完成气化开采，每次后退的距离为15～20m。
完成排气孔a1与水平段s1之间煤层气化开采后，将注气装置5从进气孔d1内提出；之后注浆封堵已完成气化开采的排气孔a1与水平段s1之间的连接处，形成水泥塞7完成封堵。操作过程中，通过进气孔d1环空注入氮气进行置换和通气保护，并通过辅助孔c1排出放空。
按照上述方法在新的排气孔b1进行水平定向钻孔施工，连通排气孔b1与水平段设定位置s1处，其水平井f1方位与水平段2s之间的夹角为30°，水平定向钻孔长度为200m；继续通过注气装置5注气，完成该段煤层的气化开采；封堵已完成气化开采的钻孔连通处。
继续完成排气孔a2、b2与水平段设定位置s2之间煤层的气化开采；重复上述步骤直至完成气化炉覆盖区域内各排气孔与水平段之间煤层的气化开采。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。